cookieOptions = {...}; ‧ 3D 列印最新材料集錦之生物醫療篇 - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網
2016年6月15日 星期三

 來源OFweek 3D打印網


 3D列印技術的迅速發展,也不斷推動著對3D列印材料的要求,3D列印被用在各個行業中,例如醫療,生物,鞋業,汽車,建築,航天等領域。

特別在醫療及生物領域,對3D列印材料的要求顯得非常高,因為用這些材料列印出來的產品是需要真正植入人體,或進行無菌化生物實驗的。而近期,國際上也出現了不少生物醫療領域的新材料,下面就讓我們一起來看看吧!


世界上首個3D列印生物材料研製成功
增材元素——一個來自慕尼黑的增材製造創業團隊,研製出了第一個完全生物性的3D列印材料。3D列印可用的材料,是基於化石或有限的資源來製造的,這些材料可能帶來健康風險還有昂貴的處理過程,所有這些限制將被新的材料改變。

「開發一個生態的,無可挑剔的,並且對健康無害的材料體系,一直是我的夢想。十一個月的研究和開發之後,我們成功了。我們對我們的環境做出了貢獻,並改變了增材製造的生產方式,這使我們很自豪」增材元素的研發主管Johannes Günther說。該材料系統僅僅包含惰性資源,和FDA所批准的商品。

此外,該粉末是100%可回收的,被製造的產品可以非常容易地處理。相對於傳統的材料來說,這一點是該材料額外的優點。該粘合劑噴射過程,可一次列印達4米高的產品部分,這使它在室內,建築和傢具製造中可以完美地應用。

「我想將3D列印長時間地引入商業。新的材料體系將最終實現在我的工業領域,使用該技術的目標。」於爾根鮑姆加特納解釋說,他是店鋪裝修公司「於爾根鮑姆加特納」的所有者和增材元素的合作夥伴。


材料系統將在今年晚些時候推出。增材元素不僅售賣材料,同時也支持其客戶踏入增材製造的第一步,並解答其有關生產的局限性和可能性的問題。

「我們要面對的客戶,不必在3D列印行業有很多經驗,像建築師店鉗工,室內設計師或其他行業的人一樣。因此,有必要提供一個全方位的服務。」增材元素的創始人蒂洛克萊默解釋道。

他們將不斷進步直至銷售觸動系統進行優化,並適用於最大的3D列印設備為止。另外,增材元素正在研究,能夠適合特殊用途的不同表面處理的材料。這個研究將與他們的合作夥伴TrindoDyeMansion一起進行,材料當然100%的生態。

科學家開發出能替代軟骨的可3D列印生物玻璃
日前,英國科學家開發出了一種材料,這種材料可以模仿軟骨,並有可能刺激它重新生長。軟骨是位於關節和脊椎之間的一種柔軟的締結組織,這種組織受到損傷之後很難修復。



來自倫敦帝國學院(Imperial College London)和Milano-Bicocca大學的研究人員們,已經開發出一種生物玻璃材料,可以模擬真正軟骨組織的減震和承重性。它可以通過特定的配方來表現出不同的特性。

科學家們希望能夠用它來開發植入物,以取代椎骨之間受損的軟骨盤。研究人員還通過讓生物玻璃製品,在辦公桌上彈跳展示了其減震特性,這種特性類似於軟骨,緩衝我們的骨頭的方式。

科學家們相信,它也有可能刺激膝蓋的軟骨細胞生長,這在以前是不可能通過傳統的方式實現的。據瞭解,生物玻璃是由矽和一種叫做聚己內酯的聚合物組成的。它能夠表現出類似軟骨的屬性,包括柔軟、強韌、耐久而具彈性。

它可以通過一種可生物降解的墨水形式生成,使得研究人員可以將其3D列印成某種特定的結構,以促進軟骨細胞在關節內的形成和生長——類似於它們在試管中所表現出的那樣。

另外,當受到損傷時,它還顯示出自愈的特性,這一特性使其很適合用作可靠的植入物,而且當它以墨水的形式存在時,更容易3D列印。

而且,研究團隊已經開發出了一種配方,可以為那些椎間盤受損的患者,提供一種替代的治療方案。當脊柱的軟骨退化時,會給患者造成很大的痛苦,當前比較常見的治療方案是融合椎骨,但是這種方法影響到了病人的活動能力。

科學家們認為,他們能夠開發出合成的生物玻璃軟骨椎間盤植入物,其具有與真正軟骨相同的力學性能。研究團隊還開發出了另外一種配方,以改善膝蓋軟骨受損患者的治療。當前,外科醫生能夠做到的,只是創建一種疤痕樣組織來修復受損的軟骨,但是大多數患者最終還是要接受關節置換,從而降低了其活動能力。

研究人員的目標,是使用其生物玻璃「墨水」,3D列印出微小的可生物降解支架。這些可生物降解支架,將提供一個複製膝關節真正軟骨結構的模板。當這種支架被植入後,生物玻璃的結構、剛度、化學特性會刺激軟骨細胞,通過細微的孔隙生長。

科學家們的設想是,隨著時間的推移,支架會在人體內安全降解,在原有的位置留下新的軟骨,這種軟骨具有類似原始軟骨的機械性能。

倫敦帝國學院材料系的Julian Jones教授,是該生物玻璃材料的開發人員之一,他介紹說:「生物玻璃從上世紀60年代就已經出現了,最初是在越南戰爭期間,幫助治癒退伍軍人。而我們的研究表明,其最新的柔性版本,可以用作類似軟骨的材料。」

目前,該研究團隊已經獲得了來自英國工程和物理科學研究理事會的資助,以幫助他們將研究推進到下一階段。未來他們將在實驗室裡,對該技術進行一系列測試,並開發出一種手術方法,來植入該植入物。他們還將與一些企業夥伴一起開發,針對這種材料的3D列印技術。

來自 Milano-Bicocca大學的Laura Cipolla教授補充說:「我們使用生物奈米材料、蛋白質和碳水化合物的化學改性技術,設計出了一種新的化學方法,該方法迫使有機成分聚己內酯,以一種穩定的方式,與無機成分硅結合在了一起。」

不過這項技術的兩個應用(即膝關節和椎間盤),在到達臨床應用之前,仍然有大量的監管障礙需要克服。研究團隊預計這兩種技術,要真正進入市場估計還需十年時間。他們已經與Imperial Innovations共同申請了專利,後者是倫敦帝國學院的技術商業化合作夥伴。
 

科學家正研發可優化3D列印骨骼的材料配方
要製造一個好的框架來填補人體缺失的骨骼,用30%的粉狀天然骨,加上一些特殊的人造塑料,再用一台3D列印機列印出所需的形狀即可。這就是約翰·霍普金斯大學的研究人員418日在線發表在《ACS Biomaterials Science&Engineering》雜誌上的一篇論文的結論。約翰·霍普金斯大學的科學家們說,每年都會有大約20萬人因為出生缺陷、創傷或手術原因需要更換頭部或者臉部的骨骼。

迄今為止,對於這些患者最好的治療方案,是從病人不承擔身體重量的腓骨上,取下一段骨頭,然後把它切成所需的形狀並植入正確的位置。但是該校醫學院生物醫學工程系副教授Warren Grayson博士認為,這種方法不僅會造成腿部創傷,而且由於腓骨相對比較直,難以跟臉部的曲線擬合得特別好。

為瞭解決這一問題,研究人員們轉向了3D列印技術。眾所周知,這一技術非常擅長用塑料,製造出極其精確的結構——包括準確的解剖結構。不過「放在塑料支架上的細胞需要一些引導因子才能夠轉變為骨細胞」。



Grayson博士說:「理想的支架是另一塊骨頭,但是天然骨骼通常無法非常精確地重新塑造。」為此,Grayson和他的團隊希望通過實驗,找到一種複合材料來3D列印骨骼支架,這種材料要能夠將塑料的強度,和可列印性與天然骨裡存在的生物「資訊」結合起來。

科學家們一開始就選擇了聚己內酯(PCL),這是一種可降解聚酯,經常用於製造那些已經獲得FDA批准,可以用於臨床的聚亞安酯。「PCL會在80100攝氏度的時候融化,這個融點低於大多數塑料,所以對於那些通常會在較高溫度下,損壞的生物材料來說,這是一個很好的混合對象。」Grayson團隊裡的研究生Ethan Nyberg說。

儘管PCL的強度很高,但是研究團隊從以往的研究中瞭解到,它並不能很好地支持新骨的形成,所以科學家們將它與骨粉混合在一起。這種骨粉是將牛膝蓋骨內部的多孔骨骼剝離細胞之後粉碎製成的。

「骨粉中含有源於生物體的結構蛋白,再加上親骨生長因子,可以幫助不成熟的乾細胞成熟為骨細胞。」Grayson說:「它也增加了PCL的粗糙度,這有助於細胞的抓附和強化了生長因子的資訊。」

Grayson
稱他們對該複合材料,進行的第一個測試是可列印性。其中5份骨粉含量為30%70%的混合物表現出色。而當骨粉的比例達到85%時,由於PCL「膠水」太少,而不能保持清晰的晶格形狀,因此在隨後的實驗中被淘汰。

另外,為了研究該支架是否能夠刺激骨骼形成,研究人員通過吸脂術,為支架添加人類脂肪源性乾細胞,並將支架浸在缺乏親骨成分的營養培養基中。

EnvisionTEC推出牙科3D列印材料 已獲FDA批准
來自德國的知名3D列印機生產商EnvisionTEC,擁有十幾年的歷史,屬於3D列印領域的早期開拓者之一,該公司在許多垂直市場都有相當堅實的客戶基礎,比如珠寶首飾、電子產品等。

如今,該公司又把目光瞄向了牙科行業,為此他們推出了最新的3D列印材料E-GuardE-Dent,該材料已經通過FDA的批准可以用於牙科。據瞭解,該公司可用於牙科的材料包括含蠟的聚合物材料(Press-E-Cast),這種材料可以用於製造精細的牙冠;以及經過FDA批准的E-Guard(可製造護牙合器);還有E-Gum材料,這種材料可以在製造牙模上的牙冠和牙橋時使用。
 

「我們很高興能夠在美國最大的牙科實驗室展會上發佈,EnvisionTEC公司創新的3D列印材料系列中的最新成員。」EnvisionTEC公司CEO Al Siblani稱。「我們新的材料可以整個PerfactoryVida系列3D列印機線上上使用,是高列印量牙科應用的理想材料。」這些新開發的材料都能夠與EnvisionTEC,現有的3D列印解決方案廣泛相容。

比如他們的Perfactory Vida 3D列印機系列,可以用它們來3D列印許多牙科和口腔正畸模型、牙合夾板、牙架和手術導板等。另一方面,他們新發佈的Vida Crown&Bridge列印機,也可以用來創建部分牙科產品。

另外,還有其它眾多的EnvisionTEC 3D列印材料,組成了該公司全面的數位牙科解決方案:E-Partial——可以創建部分義齒框架用於鑄造;Clear-Guide——用於創建高精度、透明的鑽頭導板以用於口腔外科;Ortho Tough——一種強度比較高的樹脂,可以在高溫條件下使用,比如通過真空熱成型製造正畸矯正器等;E-Guard——經過FDA批准,具有生物相容性和透明的屬性,可以用於製造護牙合器;E-Appliance——打印正畸模型的理想選擇。
 

據悉,EnvisionTEC在芝加哥舉辦的LMT LAB DAY展會(22627日)上,展示了他們最新的 E-Guard E-Gum材料及其他數位牙科解決方案。三周之後,在含有70%粉骨的支架上的細胞的基因活性,比純PCL支架上生長的細胞高出幾百倍,而在含有30%的骨粉的支架上的細胞的基因活性也很高,但沒有前者那麼令人印象深刻升幅。

隨後,科學家們將關鍵成分β-甘油磷酸,加到細胞的培養基中,使它們的酶可以沈積骨骼的主要礦物質——鈣。結果發現,與在純PCL支架上的細胞相比,在30%骨粉支架上的細胞,每個多產生大約30%的鈣,而那些在70%支架上的細胞,可以產生超過兩倍的鈣。

最後,研究團隊將其支架在小鼠身上進行實驗,這個實驗小鼠的頭骨被研究人員弄出了一個很大的洞,如果沒有干預的話,這頭骨的創面太大不可能自行癒合。在隨後12周的實驗裡,研究人員將裝滿乾細胞的支架植入小鼠的傷口,讓新骨在洞裡生長。

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掃描顯示與純PCL支架相比,那些含有30%70%的骨粉的支架骨骼生長量,至少增加了50%。雖然「脫細胞」的牛骨已經被FDA批准可用於臨床使用,研究人員們說,在今後的研究中,他們希望能測試人類骨粉,因為後者的臨床應用更為廣泛。

對岸中國南昌大學研發出3D列印新型智慧抗菌材料
上月,來自南昌大學的研究人員,開發出了一種可以用在繃帶裡的膠囊,該膠囊裡面儲存著抗菌藥物。使用者可以借助這種膠囊控制其活性,從而幫助其抗擊具有耐藥性的細菌。智慧繃帶中含有銀奈米顆粒(AgNPs),這些顆粒被包裹在一層碳裡,位於一層磷酸鹽緩衝鹽溶液(PBS)下方。

使用者只需按壓繃帶,就會導致層層互動,釋放出抗菌的銀顆粒,對多種藥物都有抗性的細菌菌株,是21世紀裡人類面臨的一個越來越普遍、越來越危險的威脅。為此,醫生們需要一種創新的設備,可以精確、即時提供抗菌劑,使病菌無法適應。

南昌大學化學學院教授王小磊及其同事,開發出了一種特殊的抗菌材料,這種材料主要是一種被封閉在碳膜中的銀奈米顆粒,可以作為可切換膠囊來使用。據瞭解,這種超分子膠囊,可以調節抗菌銀顆粒的活性,因此它具有三個不同的可切換模式——包裝、開啓和關閉。

除此之外,尤為值得一提的是,這種材料還能夠被3D列印成各種形狀,用於廣泛的用途,比如培養瓶裡的智慧瓶蓋等。王小磊教授說,他們是在透射電子顯微鏡圖像中,觀察到了一個意想不到的現象,從而獲得了這一成果。在顯微圖像中,這些膠囊似乎就像日常包裝水果的保鮮膜。

為了驗證這些膠囊的特點,王小磊教授的研究小組將它們與膏藥結合在一起。最終獲得的智能繃帶包括兩層:頂層含有滅菌的磷酸鹽緩衝鹽水,底層則包含了該抗菌膠囊。使用者只需簡單地按壓,就會引起層間的相互作用,釋放出活性銀粒子,繃帶的顏色也從白色變為橙色,顯示繃帶處於開啓狀態。而如果這些銀顆粒聚集在一起,則其抗菌作用關閉。

來自路易斯安娜理工大學的生物活性療法專家David Mills表示,對於該研究成果印象深刻,稱該可切換抗菌設備是融合了奈米技術、化學和材料科學的一個極好例子,同時也展示了3D列印對生物醫學領域的影響。

「王的團隊正在幫助實現這樣一個未來,在這裡醫療採用的是按需、高度個性化的方式,可以根據患者的個體特異性調整治療手段。」點擊此處瞭解關於該項研究的論文。

科學家開發出與人骨成分相似的3D列印材料
大約在20年前,Bob Pilliar教授開始尋找合成骨的替代材料。一度,塑料、金屬和陶瓷都曾經被認為,是可用於關節置換的最新和最好的材料,但是它們對患者的疼痛緩解和活動能力的恢復是有前提的,那就是這些材料不能持久。Pilliar被稱為加拿大的陶瓷材料之父。



如今,通過與另外兩位研究者攜手,已經成為多倫多大學牙醫學院、生物材料與生物醫學工程學院名譽教授的Pilliar,找到了可以用來製造未來植入物的天然成分。要取代人造的膝關節和髖關節,他的部件必須是生物降解、持久和針對患者的特點量身定做的。

最終,研究人員們找到了一種以磷酸鈣形式存在的有效配方。這種粉末是由與人類骨骼中同樣的礦物成分組成的,它來自美國種子巨頭孟山都公司已經放棄開發的一種可降解生物材料。

經過一番研究,Pilliar和他的同事們相信自己已經找到了,可以創建骨骼替代材料的正確化合物,在此之後他們需要的只是找到合適的製造方式。為此,一位年輕的機電一體化工程師Mihaela Vlasea接下了這個任務。

她是增材製造領域中的高手。她根據這一材料的特點和要求,專門開發出了一台定制的3D打印機。據瞭解,這台設備有一個雙門冰箱那麼大,它使用紫外線來將磷酸鈣粉末粘結在一起。

使用這台機器,Vlasea以針尖大小的精度在植入內部製造管道和空腔。形象地說,這種3D列印的骨骼植入物就像一個蟻丘,其內部布滿了用於運送養分的管道網絡,而且這個網絡的出口就是植入物表面的一個個小孔。一旦植入,人體的骨細胞就會在散播開來,並與骨骼結構機械互鎖在一起。


除此之外,Pilliar教授也在開發人類軟骨的替代物,如果成功,對於眾多的關節炎患者來說無疑是一大福音。與我們的常識不同,關節炎患者實際上並不只限於城市裡的老年人。這種疾病主要是由外傷、畸形的關節或運動損傷引起的。

目前由於軟骨細胞不能再生,對於它的治療手段十分有限。作為這一骨骼項目的三個主要研究者之一,Kandel曾經與Pilliar教授和多倫多大學的研究員Marc Grynpas共同合作了二十多年。

據她說,當今這種統一規格的植入物的使用壽命,在2030年之前,在此之後就需要再動手術來更換新的植入物。Kandel希望通過使用患者自己的組織和細胞打造的「生物關節替換物」來解決這個問題。

為此,Kandel嘗試從患者的骨髓中提取乾細胞,然後在實驗室裡重新編碼,培養成不成熟的軟骨細胞。這批細胞經過幾個星期的時間之後成熟,研究人員將其層積在滑鐵盧大學3D列印的鈣磷酸鹽植入物上並使其生長。該植入物一旦通過手術植入體內,就能夠自然地發揮功能,甚至可以治癒自己。

Kandel將其稱為「生物性重鋪表面(biological resurfacing)」,該技術進一步降低了植入物在植入人體之後,遭受排異反應的可能性。「如果你使用患者自己的細胞的話,它們就不會被人體認為是外來的異物。」



她並補充稱這種新型的治療手段,可以從根本上阻止關節炎的發展。雖然這種定制植入物可能的價格到現在還不得而知,但Kandel預期該產品商業化之後會更加便宜,因為其使用的原材料價格很低。

此外,她估計這類新型的人工關節「生物替代物」在未來十年之內將得到廣泛應用。與此同時,研究人員們正在通過動物試驗來測試,使用這種新方法修復小骨替代品德可行性,他們預計這一研究將還要持續兩年。

                                                                                                                                                                                                                            


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